有限元法分析抗拔群樁承載力與位移關系

康 正 炎

(1.安徽省水利部淮委水利科學研究院,安徽 合肥 230088; 2.安徽省建筑工程質量監督檢測站,安徽 合肥 230000)

1 基本假定

假定模型區域內的土為連續、均質、各項同性的土體，模型四周引入邊界條件。模型邊界約束：底部施加垂直面上的位移，四個側面施加垂直面方向上的位移，上端為自由的，不受任何的約束；樁的存在不會改變土體的彈性模量以及泊松比；土體選用彈塑性模型，樁體選用線彈性模型；樁土之間的接觸面設定面面接觸，且設置滑移臨界值是2 mm。

2 計算參數選取和模型的建立

本文中選用本構模型是Mohr-Coulomb模型。樁土參數如表1所示。

表1 樁土參數的選用

計算模型選用空間的1/4部分，創建樁與土的三維模型進行數值模擬。模型大小選取：水平方向取10倍擴大頭直徑，豎直方向上取1.5倍樁長。網格劃分時，與樁遠的土的網格能劃分大一點，靠近樁周土的要細化，以便計算結果更加精確。樁土均取C3D8R單元。

3 試樁試驗的驗證

根據ABAQUS軟件進行數值模擬，圖1給出了部分荷載下的位移云圖。記錄了五根樁的平均上拔位移量與總的抗拔荷載，可以得出表2中數值模擬結果。

表2 數值模擬下的群樁位移

把數值模擬的結果與試驗樁結果以及理論計算結果三者作比較，如圖2所示 。從圖2中可知：在荷載較小時，樁土表現出彈性，數值模擬結果與試驗樁值比較接近。在上拔荷載較大時，可以看出數值模擬結果與試樁結果存在誤差，但抗拔群樁承載力與位移曲線圖總的趨勢是對的，能夠反映出承載力與位移的特性。同時也說明了數值模擬方法的可行性。

4 群樁Q—s曲線特性分析

抗拔群樁的承載力與位移曲線是探究群樁承載力性狀的重要手段。而影響承載力與位移曲線特性因素有很多，例如樁長、樁徑等因素有關。下面以抗拔試驗樁的參數為背景，取五根樁的總荷載與中心樁處上拔位移量為例，分析五種因素對抗拔群樁的Q—s曲線的影響圖。部分的樁與土參數詳見表1。

4.1 群樁Q—s曲線與樁長L的關系

圖3是五根爆擴樁在不同樁長時的抗拔群樁承載力與位移關系圖，樁土的部分參數為S=1 m，d=0.08 m，D=0.26 m，其他的條件基本相同。由圖3可知：

1)當對樁施加一樣的荷載時，上拔位移量隨樁長的增加而減小。原因有樁長的增長群樁的自重會變大；樁土之間的接觸面增大了，樁側摩阻力肯定會增加，所以抗拔群樁的總的承載力也會增加。

2)當對樁施加一樣的位移量時，抗拔群樁總的承載力隨著樁長的增大而增大，原因是抗拔群樁間相互作用效應增強，群樁間的裹附的土體增多，所以抗拔群樁承載力增大了。樁長的增加對提高抗拔群樁承載力有較大的作用，當然抗拔群樁的變形也變大了。抗拔群樁的樁長設計時，由承載力和變形共同決定的。

4.2 群樁Q—s曲線與樁徑d的關系

圖4是五根爆擴樁在不同樁徑下的抗拔群樁承載力與位移關系圖，樁土的部分參數為L=4 m，S=1 m，D=0.26 m，其他的條件基本相同。由圖4可知：

1)當對樁施加相同的荷載時，抗拔群樁的上拔位移量隨樁徑的增加而減小。同樣在上拔位移量相同時，抗拔群樁的總的承載力隨著樁徑的變大而變大，主要原因是樁徑變大了，樁土之間接觸面變多了，其側摩阻力也變大，且樁的自重也會增加。

2)從圖4中知道，抗拔群樁的總的承載力隨樁徑的增加而增加，但增幅不是很明顯。主要是由于樁間距太小，樁與樁之間靠的太近，不能充分發揮群樁效應。樁土之間的摩阻力也不能充分利用。

5 結語

本文主要采用有限元軟件ABAQUS進行數值模擬爆擴樁的抗拔群樁承載力與位移曲線隨著樁距、樁長等變化的特性研究。我們可以得出以下結論：

影響抗拔群樁承載力與位移曲線的因素包括樁長、樁距等方面。其中樁長、樁徑與樁土摩擦系數對抗拔群樁的承載力特性影響最大。實際工程案例中，對抗拔群樁設計必須合理設計抗拔群樁長徑比、樁距和樁徑等主要因素，以充分發揮每根樁的極限承載力。